褪黑素在奶牛產業中的研究與應用

文/吳 昊 張 魯 劉國世＊

（中國農業大學動物科技學院）

關鍵字：褪黑素；胚胎發育；受胎率；體細胞數；功能乳

我國是乳業生產和消費大國，發展奶業不僅是農業現代化的標志，還是改善居民膳食結構，健康中國、強壯民族的必由之路。目前，我國奶牛養殖業正在向規模化、集約化發展快速轉變，奶業科技水平也與日劇增。但是在生產中依然面臨著飼養成本高、奶牛單產量低、繁育水平差、環保壓力大等問題[1]。在規模化牧場管理中，奶牛生產性能測定即DHI（Dairy Herd Improvement）在指導牧場管理中日益重要。牛奶體細胞數是DHI中的重要指標，能夠有效反映奶品質及奶牛健康[2]。在實踐中牛奶體細胞數過高和產后配種妊娠率低是困擾奶牛養殖業的兩大難題。近些年來，養殖者應用抗生素、中草藥、抗氧化劑等來降低牛奶體細胞數、提高產后配種妊娠率，取得了一定的進展，但是不同產品效果不盡相同。開發新產品促進奶牛養殖業健康發展仍迫在眉睫[3]。

褪黑素（Melatonin，MT）主要是由人和哺乳動物的松果體分泌，除此之外，視網膜、淚腺、皮膚也能分泌[4]。作為重要的生殖內分泌激素，褪黑素能夠提高卵巢機能，促進卵母細胞成熟和早期胚胎發育，調控其它生殖激素分泌[5]。同時作為高效的抗氧化劑，其還能夠清除活性氧，延緩衰老，提高機體免疫力[6]。在奶牛養殖過程中，應用褪黑素復合抗氧化物能夠提高產后奶牛情期受胎率，降低牛奶中體細胞數提高原奶品質[7]。同時，將褪黑素應用于體外胚胎生產體系，其能夠促進卵母細胞的體外成熟，提高體外胚胎發育質量[8]。此外，研發高褪黑素含量功能乳，不僅能豐富牛奶種類，增加牛奶附加值，提高經濟效益，在一定程度上也能振興中國奶業。

1 提高產后奶牛情期受胎率

在規模化牧場管理中，產后首次配種受胎率是衡量奶牛生產水平的重要指標，也是困擾產業的生產難題。通過測定產后至配種時22 頭荷斯坦奶牛血液中褪黑素濃度，發現妊娠母牛血液中褪黑素濃度均高于60 ppb，低于30 ppb的奶牛均未妊娠；褪黑素可能通過促進孕酮的合成和分泌，促進卵母細胞成熟；同時，褪黑素可能與顆粒細胞上過量表達的MT1型受體結合，促進顆粒細胞黃體化，增加黃體功能，提高卵巢機能[9]。作為強力的抗氧化劑，其還可以清除排卵過程中產生的過量活性氧，減少氧化應激，抑制卵母細胞凋亡[10]。從而改善胚胎的質量和發育能力，最終提高妊娠率。實踐證明，奶牛發情和配種時皮下注射褪黑素，短時間內提高血液中褪黑素濃度，并且褪黑素能在卵巢中聚集，保護卵泡正常發育，顯著提高產后荷斯坦奶牛配種妊娠率[11]。

2 提高體外胚胎生產及精液、胚胎冷凍效率

2.1 改善冷凍精液品質

在奶牛養殖中，冷凍精液的大量使用，不僅提高了繁殖效率，還充分利用了優秀種公牛的資源。精液在冷凍過程中，常常受到機械和理化損傷而活力降低。褪黑素通過抗衰老、抗氧化的功能提高精液品質和活力[12]。李曉霞等通過染色法分析褪黑素處理后牛精液品質，發現添加1.0×10-3mol/L褪黑素可明顯提高牛精液品質和保存時間和質量[13]。也有研究顯示，在水牛的卵黃稀釋液中加入1.0×10-3mol/L的褪黑素后冷凍保存，精子活率、有效精子數（冷凍后精子密度不會提高）明顯提高[14]。

2.2 促進卵母細胞成熟

牛卵母細胞體外成熟是體外胚胎生產、移植、冷凍等技術開展的前提和關鍵。牛卵泡液中存在褪黑素（MT），體外成熟培養體系中添加褪黑素能夠促進卵母細胞體外成熟[15]。在M-199成熟液中添加1.0×10-9mol/L褪黑素能夠顯著提高牛卵母細胞成熟質量，提高受精后的卵裂率[16]。褪黑素能夠改善低質量牛卵母細胞的線粒體功能，從而提高卵母質量、體外受精及后續胚胎發育效率[17]。在體內，卵母細胞線粒體合成褪黑素作用于細胞本身促進成熟[18]。卵泡液中大量的褪黑素能夠提高線粒體DNA（mtDNA）拷貝數與膜電位（MMP）水平，促進ATP合成；另一方面，褪黑素能降低線粒體呼吸代謝活性氧的產量，降低卵母細胞內8-oxodG水平，從而減少DNA氧化損傷，并通過調節凋亡基因（Bcl-2、Caspase3）的表達，抑制卵母細胞凋亡[18]。

2.3 提高體外胚胎發育及玻璃化冷凍效率

褪黑素主要通過發揮強抗氧化性保護胚胎免受氧化損傷，提高早期胚胎發育。同時褪黑素也能調節胚胎早期發育過程中的關鍵因子，進而發揮作用[19]。MT1受體在牛早期胚胎發育階段（原核胚、2-細胞胚、8/16細胞胚、囊胚）中持續表達[20]。研究證實，褪黑素與MT1 受體結合后，下調胚胎中cAMP的表達水平，影響 cAMP/PKA 的下游通路，進而影響 Dnmt1a、SLC2A1基因表達，促進基因組表觀修飾、囊胚激活及葡萄糖轉運，顯著提高體外發育效率；同時，在體外培養液中添加褪黑素能夠提高囊胚的抗冷凍能力。褪黑素處理后囊胚冷凍解凍后的囊胚孵化率顯著提高[21]。

3 降低牛奶體細胞數

牛奶體細胞（Somatic Cells，SCS）是指白細胞和乳腺上皮細胞，其中99%是白細胞。當乳房受到損傷或者炎癥等應激，就會產生大量的白細胞保護機體，繼而引起體細胞數迅速升高[22]。因此，體細胞數可以直接反映出乳腺的健康程度。體細胞數過高將會造成牛奶產量降低和品質下降。褪黑素能夠提高機體免疫力，其可通過調節細胞因子的產生、免疫細胞與細胞因子相互作用，從而調節免疫功能[23]。對荷斯坦奶牛皮下注射褪黑素能夠降低牛奶體細胞數，體細胞數量不同的奶牛作用效果也不同，對牛奶中體細胞數在30～100 萬個/mL的高產奶牛效果最明顯，下降幅度為16～30 萬/mL；與此同時，褪黑素降低了高體細胞數奶牛血液中皮質醇、免疫球蛋白IgG和IgM的濃度，增加白蛋白含量，減低白細胞和中性粒細胞數量；在奶牛乳房炎治療過程中皮下注射褪黑素可顯著縮短乳房炎的治療天數[7]。

4 開發褪黑素功能乳

褪黑素作為主要由松果體產生的激素，能夠調節機體節律，并且在自然牛奶中存在。張薇等在對部分市售的商品奶進行褪黑素檢測，除脫脂奶外，褪黑素含量一般在15 pg/mL以下[24]。由于褪黑素不僅能調節機體生物節律，改善睡眠，還能提高免疫力，降血壓，抗腫瘤，減少氧化應激，所以高褪黑素功能性牛奶，具有較高的附加值[25]。1999年，英格曼乳業已經生產出天然高褪黑素牛奶，價格較高，但銷售一直穩步增長[26]。隨后，日本、英國、愛爾蘭等國家市場上相繼出現類似品牌。國內利用乳腺過表達褪黑素合成酶AANAT和HIOMT提高乳汁中的褪黑素含量[27]，也相繼出現幾種富含褪黑素激素的乳制品專利，對褪黑素功能乳研發也起到了一定的促進作用。2003年8月11日，中國人民共和國衛生部，中國國家標準化管理委員會發布了保健食品中褪黑素含量的測定（GB/T 5009 170-2003），并于次年施行，為開發高褪黑素乳制品奠定了基礎。

5 展望

2018年6月中國奶業大會在成都舉行，總結了十年來乳業發展歷程。雖然總體上我國乳業發展穩步提升，但是奶業效益卻起起伏伏，質量安全事件的屢次發生，對國民對奶品質的信心造成了嚴重打擊，制約了奶業發展。褪黑素因其強大的生物活性，在奶牛產業中具有廣泛的應用潛力，從繁育管理到胚胎生產，褪黑素都發揮著不可替代的作用。因此，研究褪黑素復合抗氧化劑在奶牛產業中前景可觀。同時，天然高褪黑素牛奶及其制品具有保健功能，在食品領域中也會產生巨大的經濟效益。在奶業發展過程中，深入挖掘褪黑素的功能，將對振興民族奶業及促進國民經濟產生不可估量的推動作用。